SENZORI ŞI TRADUCTOARE 2.1. Noţiuni generale. Definiţii Conducerea unui proces presupune cunoaşterea unor informaţii cât mai corecte şi cât mai complete asupra parametrilor mărimilor fizice ce caracterizează acel proces [3]. În cazul unui proces neautomatizat, condus manual de un operator, mărimile fizice care nu sunt accesibile simţurilor umane sunt măsurate cu aparate de măsurat. Pe baza indicaţiilor aparatelor, operatorul uman supraveghează procesul şi ia decizii corespunzătoare. În cazul unui proces automatizat, conducerea sistemului se face fără intervenţia omului, pe baza informaţiilor culese din proces cu ajutorul traductoarelor. Senzorul (elementul sensibil) este elementul component al unui sistem automat sau al unui aparat de măsurat care are rolul de a transforma mărimea de măsurat, având o anumită natură, într-un semnal purtător de informaţie - pentru sistemul automat - sau într-o mărime care se poate măsura cu aparatul de măsurat [2]. Nivelul semnalului nu este compatibil, în formă brută, cu nivelul semnalelor cu care operează sistemul automat. De aceea se introduce un element auxiliar numit adaptor. În principiu, senzorul şi adaptorul alcătuiesc o unitate numită traductor care este un element de bază pentru orice instalaţie automatizată. Traductoarele pot fi definite ca dispozitive care realizează conversia unor mărimi fizice (temperatura, deplasare, presiune, forţă, etc.) în alte mărimi fizice, cel mai adesea electrice, sau a unor mărimi electrice în alte mărimi electrice, în scopul măsurării parametrilor acelor mărimi şi informării, respectiv luării unor decizii în consecinţă. 2.2. Structura generală a unui traductor. Structura generală a unui traductor este prezentată în figura 2.1. x Intrare Mărimea de măsurat ES ELT A SAE Fig. 2.1. Structura generală a unui traductor Mărimea de măsurat x este aplicată la intrarea traductorului, reprezentând parametrul măsurat (temperatură, debit, presiune, turaţie, nivel, viteză, forţă etc). Mărimea de ieşire y reprezintă valoarea mărimii măsurate, exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune). Elementele componente ale traductorului sunt: a. Elementul sensibil ES (detector, captor, senzor) este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare. El are capacitatea de a elimina sau reduce la minim influenţele exercitate de alte mărimi decât cea care se măsoară şi care acţionează simultan asupra traductorului. Sub acţiunea mărimii de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibil. Modificarea de stare presupune un consum energetic care poate fi luat: din proces, în raport cu fenomenul fizic pe care se bazează detecţia, şi de puterea asociată mărimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieşirea elementului sensibil; (de exemplu: tensiunea electromotoare generată la bornele unui termocuplu în funcţie de temperatură); de la o sursă auxiliară de energie, când modificarea de stare are ca efect variaţii ale unor parametrii de material. y Ieşire Semnal unificat sau specializat @2017 1/5
Indiferent cum se face modificarea de stare a elementului sensibil, informaţia furnizată de acesta nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare în elemente de transmisie şi adaptor. b. Elemente de transmisie ELT sunt elemente auxiliare care realizează conexiuni electrice, mecanice, optice sau de altă natură în situaţiile în care tehnologiile de realizare a traductorului o impun. De exemplu în cazul măsurării temperaturilor înalte, elementul sensibil (ES) nu poate fi plasat în aceeaşi unitate constructivă cu adaptorul fiind necesar astfel de un element de legătură (ELT). Dacă mărimea generată de elementul sensibil este neadecvată pentru transmisie (cazul transmisiilor la mare distanţă) atunci elementul de transmisie conţine şi elemente de conversie potrivit cerinţelor impuse de canalele de transmisie. c. Adaptorul A are rolul de a modifica (adapta) informaţia de la ieşirea elementului sensibil la cerinţele impuse de aparatura de automatizare utilizată. Funcţiile realizate de adaptor sunt complexe, ele incluzând şi adaptarea de nivel, putere (sau impedanţă) cu referire la semnalul de ieşire, în raport cu dispozitivele de automatizare. Adaptorul asigură conversia variaţiilor de stare ale elementului sensibil în semnale calibrate la ieşire, ce reprezintă (la o altă scară) valoarea mărimii de intrare. Deci, adaptorul realizează operaţia specifică măsurării, adică comparaţia cu unitatea de măsură adoptată. În funcţie de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de ieşire, adaptoarele sunt de două feluri: adaptoare electrice (electronice); adaptoare pneumatice. În raport cu forma de variaţie a semnalelor de ieşire, adaptoarele pot fi: analogice; numerice. Semnalele analogice - se caracterizează prin variaţii continue ale unui parametru caracteristic şi sunt, de regulă, semnale unificate. Prin semnal unificat se înţelege adoptarea ca semnal a aceleiaşi mărimi fizice, cu acelaşi domeniu de variaţie, indiferent de locul unde este plasat elementul de automatizare într-un sistem de reglare automată. Frecvent utilizate sunt următoarele semnale unificate: curentul continuu (în cazul sistemelor de reglare a proceselor lent variabile) cu domeniul de variaţie: I cc [ 2 10] ma sau I cc [4 20] ma; tensiunea continuă (în cazul sistemelor de reglare a proceselor rapide), cu domeniul de variaţie: V cc [0 10] V sau V cc [-10 +10] V; presiunea aerului instrumental (aer fără impurităţi şi cu umiditate minimă standardizată) produs în instalaţii speciale: p [0,2 1] dan/cm 2 sau: p [0,2 1] bar. Semnalele numerice, generate la ieşirea traductoarelor numerice s-au impus prin folosirea pe scară tot mai largă a echipamentelor de reglare numerică şi a calculatoarelor de proces. Codurile numerice de ieşire trebuie sa fie compatibile cu echipamentele (interfeţele calculatoarelor), impunând o standardizare şi a semnalelor numerice furnizate de traductoare. Cele mai utilizate coduri sunt: binar - natural, cu 8, 10, 12, 16, 32 biţi (uneori 64 biţi); binar codificat zecimal cu 2, 3 sau 4 decade. d. Sursa auxiliară de energie SAE, necesară în cele mai frecvente cazuri, pentru a menaja energia semnalului util. @2017 2/5
2.3. Tipuri de traductoare Elementele sensibile impun şi clasificarea traductoarelor care se realizează după mai multe criterii: a. după principiul de conversie a mărimii fizice aplicate la intrare, traductoarele pot fi parametrice şi generatoare. Traductoarele de tip parametric se caracterizează prin aceea că mărimea de intrare (neelectrică) determină variaţia unor parametrii de circuit (cum ar fi, de exemplu, rezistenţa electrică, capacitatea, inductanţă) preluând energia electrică necesară de la surse auxiliare. Conversia unor mărimi neelectrice - mecanice, calorice, procese chimice, radiaţii - se bazează pe dependenta parametrilor respectivi la unele materiale conductoare, semiconductoare sau dielectrice de aceste mărimi. Pentru a ilustra asemenea posibilităţi este suficient a se reaminti următoarele relaţii fundamentale care stau la baza funcţionării elementelor sensibile parametrice [1]: rezistenţa electrică a unui conductor omogen: l R = ρ Ω (2.1) s ρ - rezistivitatea, [Ω m]; l - lungimea conductorului, [m]; s - secţiunea conductorului, [m 2 ]. inductivitatea proprie a unei bobine (considerând circuitul magnetic liniar): 2 N L = [ H] (2.2) n l = 1 μ s N - numărul de spire al bobinei; l - lungimea mediului care alcătuieşte circuitul magnetic al bobinei; μ - permeabilitatea magnetică, a mediului care alcătuieşte circuitul magnetic al bobinei [N A -2 ]; s - secţiunea mediului care alcătuieşte circuitul magnetic al bobinei [m 2 ]. capacitatea unui condensator plan cu armături paralele: ε - permitivitatea dielectricului, [F/m]; s - suprafaţa comună a armăturilor, [m 2 ]; d - distanţa dintre armături, [m]. [ ] s C = ε [ F] (2.3) d Se observa uşor posibilitatea influenţării valorilor acestor parametri prin modificări geometrice (lungime, secţiune), sau prin acţiunea unor mărimi externe: temperaturi, câmpuri magnetice, etc. parametric (parametrul electric variabil) REZISTIV R Tabelul 2.1. Clasificare a elementelor sensibile electrice de tip parametric [4] variaţia lungimii conductorului (sau a numărului de spire în cazul rezistorului bobinat) variaţia rezistivităţii (ρ cu temperatura - termorezistenţa, termistorul) variaţia lui ρ sub influenţa câmpului magnetic (efect Gauss) - nivel. - temperatură; - umiditate; - concentraţie de gaze; - viteză gaze (debit); - vacuum. - câmpul magnetic; - inducţie. @2017 3/5
parametric (parametrul electric variabil) REZISTIV R INDUCTIV L Obs: În anumite variante constructive parametrul variabil este inductivitatea mutuală între două bobine CAPACITIV C variaţia lui ρ sub acţiunea radiaţiilor (fotorezistenţe, fotoelemente) variaţia lui ρ, l, S prin intermediul unui element elastic deformabil (tensorezistenţe, piezorezistenţe). variaţia lungimii, secţiunii sau permeabilităţii unor porţiuni de circuit magnetic prin deplasarea unor armături feromagnetice (întrefier variabil, miez mobil) variaţia permeabilităţii magnetice sub acţiunea unor forţe (magnetostricţiune) variaţia l, μ, S prin asociere cu elemente elastice, amortizoare, mase. variaţia distanţei sau a suprafeţei comune a armăturilor prin deplasare idem asociind cu un element elastic variaţia permitivităţii dielectricului - intensitate luminoasă; - flux luminos; - deplasări (prin modulaţia fluxului de radiaţii). - forţă; - presiune. - dimensiuni piese; - nivel. - vibraţii - forţă - presiune - acceleraţie; - viteză; - vibraţii. - deplasări liniare sau unghiulare; - presiune. - altitudine. - nivel - grosime - umiditate (solide) Traductoarele de tip generator (sau energetice) se caracterizează prin aceea că mărimea de intrare determină apariţia la ieşire a unui semnal de o anumită energie (curent, tensiune, sarcină electrică) generat de senzor în cadrul procesului de conversie utilizând o proprietate fizică a materialului din care este realizat acesta. Exista o mare diversitate de fenomene fizice pe care se bazează realizarea de elemente sensibile de tip generator: inducţia electromagnetică, termoelectricitatea, piezoelectricitatea, magnetostricţiunea, etc. parametric generator ELECTROMAGNETIC (DE INDUCŢIE) TERMOELECTRIC PIEZOELECTRIC MAGNETOSTRICTIV ELECTROCHIMIC FOTOELECTRIC (FOTOVOLTAIC) Tabelul 2.2. Clasificarea elementelor sensibile de tip generator - viteza de rotaţie; generarea prin inducţie a unei t.e.m. - debit de fluide; sub acţiunea mărimii de măsurat - vibraţii. generarea prin efect termoelectric (Seebec) a t.e.m. de contact între - temperatura. două materiale diferite polarizarea electrică a unui cristal sub acţiunea unei forţe (presiuni) generarea tensiunii electromotoare prin variaţia inducţiei remanente sub acţiunea unei forţe asupra materialelor magnetice generarea tensiunii electromotoare între doi electrozi aflaţi la o distanţă, în soluţii cu concentraţii de ioni diferite. generarea unui curent electric pe baza fenomenului fotoelectric extern sub acţiunea unei radiaţii luminoase. - forţe (dinamice); - presiuni (dinamice). - forţe (dinamice); - presiuni (dinamice). - concentraţia ionilor de hidrogen (ph). - dimensiuni piese; - viteză de rotaţie. @2017 4/5
Pentru proiectant şi constructor este utilă clasificarea după principiul de funcţionare, dar pentru utilizator este mai convenabilă clasificarea elementelor sensibile după mărimile fizice pe care elementul sensibil le poate detecta. b. după natura mărimii fizice de măsurat, ele se clasifica în tipuri care poartă denumirea domeniului de aplicaţie: elemente sensibile pentru deplasare, viteza, forţă, debit, etc. Mărimi fizice de bază TEMPERATURĂ DEPLASARE VITEZĂ FORŢĂ MASĂ CONCENTRAŢIE RADIAŢIE Tabelul 2.3. Clasificarea elementelor sensibile după mărimile detectate [4] Elemente sensibile, Mărimi fizice derivate tipice - termorezistenţe; - termistoare; - termocupluri; - complexe (dilatare + deplasare) - temperatură la suprafaţă (solide, fluide); - căldură - flux, energie; - conductibilitate termică. - deplasare liniară; - deplasare unghiulară; - lungime (lăţime); - strat de acoperire; - nivel; - deformaţie (indirect presiune, forţă, cuplu); - altitudine. - liniară; - unghiulară; - debit. - efort unitar; - greutate; - acceleraţie; - cuplu; - viscozitate; - vacuum; - presiune (relativă; absolută). - debit de masă; - densitate. - componente în amestecuri de gaze; - ioni de hidrogen în soluţii; - umiditate. - luminoasă; - termică; - nucleară. - rezistive; - inductive; - fotoelectrice; - electrodinamice (selsine, inductosine). - electrodinamice (tahogenerator); - fotoelectrice; - termorezistive. - rezistive; - inductive; - capacitive; - piezorezistive; - piezoelectrice; - magnetostrictive. - idem ca la forţă. - termorezistive; - electrochimice; - conductometrice. - fotoelectric; - detectoare în infraroşu; - elemente sensibile bazate pe ionizare. Alegerea celor mai potrivite elemente sensibile de face în funcţie de: gama de variaţie a mărimii măsurate; posibilitatea de cuplare la proces; factorii de mediu; performanţele impuse; factorii economici. @2017 5/5